JPH03267599A - 内燃機関部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、繊維強化樹脂製内燃機関部品、特に遠心圧
縮機に用いられるインペラや動力伝達用歯車等に関する
。

（従来の技術） 従来の繊維強化樹脂製インペラとしては、例えば特公昭
５２−４８６８４号、特開昭５７−１３５１３２号、特
開昭５７−１１９１０５号、特開昭５９−１８２９６号
、特開昭６１−２８３７９７号公報に記載されているも
のがあるが、これらのインペラを構成する樹脂材料は、
炭素繊維を樹脂の補強材として用いることを特徴として
いる。特に、特開昭５７−１１９１０５号公報には、耐
熱性のある熱可塑性樹脂又は、熱硬化性樹脂をマトリク
ス樹脂として用いた炭素繊維強化樹脂が、インペラに用
いられることが記載されている。また、特開昭５７−１
３５１３２号公報、実開昭６０−６８３９号公報では、
シャフトとの締結部に金属材よりなるボスを介すること
が記載されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、遠心圧縮機インペラは、シャフトに対し
ナツトを介して締結されており、その時の締結トルクは
１ｋｇｍ〜１．４　ｋｇｍ　（座面圧カニ約１０〜１４
ｋｇ／園２）という高いものである。さらに、その使用
条件は一５０℃から２００　”Ｃ（常用使用時最高温度
として１５０°Ｃ）、最大回転数が１３　Ｘ　１０’ｒ
ｐ蒙になり、しかも最大回転時に発生する応力は現行品
（アルミニウム合金製、外径約６０■）で約２０ｋｇ／
腫２、翼の付は根部で約１０ｋｇ／閣２にもなる。

これを比重の小さい繊維強化樹脂を用いることにより、
回転時の最大応力を約１／２程度に低下させることが出
来る。しかし、締結部ではナツトによる締結応力により
クリープ変形を生じ、ナツトが緩むという問題があり、
締結部に金属をインサートして対策をするという考えの
一端が、特開昭５７−１３５１３２号、実開昭６０−６
８３９号に見られる。

現行の使用条件から、耐熱性、強度（引張り、曲げ、圧
ｗｌ）、弾性率（引張り、曲げ）、耐久疲労性（引張り
、曲げ）、クリープ特性（引張り、圧ｔａ＞等を加味し
て材料を選定すると、特開昭５７−１１９１０５号公報
に開示されている熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が、そ
のままインペラに使用出来るわけではなく、また、特開
昭５７−１３５１３２号、実開昭６０−６８３９号公報
に開示されている締結クリープ対策が、そのままインペ
ラに適用できるわけてはない。

これらの条件を満足する繊維強化樹脂組成物としては、
ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）　、ポリエーテルイミ
ド（ＰＨＩ）　、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）　、ポリエーテル
ケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリケトンサルファイド（
ＰＫＳ）　、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＲＫ）、
芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＦＡＩ
）　、ポリイミド（ＰＩ）等の耐熱性樹脂と炭素繊維、
ガラス繊維、ウィスカ等との複合化が考えられる。

しかし、上述した樹脂は溶融温度が高く、成形時の樹脂
溶融温度を３５０°Ｃから４３０°Ｃとかなり高温にし
て成形する必要がある。特に炭素繊維については、現在
市販されている樹脂強化用炭素繊維は、その収束剤とし
て熱可塑性樹脂用としてのポリアミド系樹脂（分解温度
２８０℃）、熱硬化性樹脂用としてのエポキシ系樹脂（
分解温度３００℃）が主として用いられており、前述の
成形時の樹脂溶融温度（３５０°Ｃから４３０°Ｃ）で
は分解しやすく、炭素繊維とマトリクス樹脂との濡れ不
足による界面強度の低下が起こり、また強度のバラツキ
も生じやすく、繊維強化樹脂製遠心圧縮機のインペラ用
材料として用いる場合には、炭素繊維での補強効果が有
効に生かされず強度が低いという問題点があった。

また、インペラのシャフト孔部に金属材よりなるボスを
圧入、接着、あるいはインサート一体成形により施した
インペラは、その締結クリープ対策は、静的な長時間ク
リープ試験（締結部温度＝１２０℃）では効果があるが
、実用使用時最高温度域（約１５０℃）での動的な長時
間耐久では効果が無い、すなわち、インペラ出口の圧縮
空気温度が１５０℃で、最大回転数が１３Ｘ１０’　ｒ
ｐ−で連続耐久試験を行なうと、金属材よりなるボスと
樹脂との間の界面で剥離を生じ、この界面剥離が破壊の
起点となり短時間で破損するという問題もあった。

さらに、インペラのシャフト部に金属材よりなるボスな
どを用いず、繊維強化樹脂のみで作製したインペラでは
、その締結部でナツトによる締結応力で座面がクリープ
変形を起こし、ナツトに緩みが生じ、高速回転時に回転
バランスがくるい、振動・異音が発生する。また、緩み
によりインペラが空回りを起こし、空気を圧縮してエン
ジン燃焼室内へ送りこむというインペラとしての本来の
機能を発揮できないという問題もあった。

（課題を解決するための手段） この発明は、この様な従来の問題点に着目してなされた
もので、繊維強化樹脂からなる一体型遠心圧縮機のイン
ペラや、動力伝達用歯車等において、マトリクス樹脂と
して芳香族ポリエーテルケトン系樹脂を用い、このマト
リクス樹脂を芳香族ポリエーテルスルホン樹脂で表面を
被覆した後、３００〜４００°Ｃで加熱された炭素繊維
で補強した樹脂組成物を用いることにより、さらに部品
の締結ボス部の繊維配向分布を、ボス部両端２ケ所の締
結部を結ぶ直線に対し平行に並ぶ分布が多くなる様に配
向させる事により、上記問題点を解決したものである。

即ち、この発明は芳香族ポリエーテルケトン系樹脂と上
記処理を施した炭素繊維とからなる樹脂組成物を用い、
部品の締結ボス部の繊維配向分布を、ボス部両端２ケ所
の締結部を結ぶ直線に対し平行に並ぶ配向分布が多くな
る様に配向させたことを特徴とする繊維強化樹脂製一体
型遠心圧縮機用インペラや、動力伝達用歯車等である。

この発明で用いる炭素繊維の収束剤としての芳香族ポリ
エーテルスルホン樹脂は、アリーレン結合、エーテル結
合及びスルホン結合を結合単位とする線状重合体である
。下記一般式で表わされるものが特に好ましい。

一般に英国・ＩＣＩ社よりｒ　ＶＩＣＴＲＥＸ■ポリエ
ーテルスルフォン（ｐＨ！Ｓ）　Ｊの商標で、住友化学
■より「スミブロイＳ」の商標で、また、三井東圧化学
■から「ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）　Ｊとして
市販されている。

マトリクス樹脂としては、ポリエーテルスルフォン（Ｐ
ＥＳ）　、ポリエーテルイミド（ＰＨ１）　、ポリエー
テルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン
（ＰＥＫ）　、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）
、ポリケトンサルファイド（ＰＫＳ）　、ポリアリルエ
ーテルケトン（ＰＡＥＫ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ）
、ポリアミドイミド（ＦＡＩ）　、ポリイミド（ＰＩ）
等が用いられるが、成形がしやすく、耐熱強度が高く、
しかも炭素繊維との接着強度が高く、締結クリープ強度
の高いものとして有効なのは芳香族ポリエーテルケトン
系樹脂、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ
）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）　、ポリエーテルケ
トンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリルエーテルケトン（
ＰＡＥＫ）等の単独樹脂か、これらの樹脂をベースとす
る他の樹脂とのポリマーアロイ樹脂である。

マトリクス樹脂として用いる芳香族ポリエーテルケトン
系樹脂は、使用温度条件により各種選定でき、マトリク
ス樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）がその選定の重要な目
安となることは明らかなことである。芳香族ポリエーテ
ルケトン系樹脂としては、次式のような繰り返し単位か
らなるものが知られている。

また、炭素繊維はポリアクリロニトリルフィラメント、
レーヨンフィラメントあるいは石油ピッチを焼成して得
られたものであり、特にアクリロニトリルフィラメント
からのものが好適である。

これらの炭素繊維は、オゾンまたは電解酸化等で表面処
理し、芳香族ポリエーテルスルホン樹脂で表面を被覆し
た後、３００〜４００°Ｃで加熱処理したものが好まし
い。また、芳香族ポリエーテルスルホン樹脂としては、
分子末端基に水酸基を有する低分子量のものが好適であ
る。強化繊維の配合比率は、マトリクス樹脂と強化繊維
との総重量に対し２５〜４５！ｉ量％が好ましく、２５
重量％未滴の場合この効果が少ない。一方、４６〜４７
重量％以上の配合比率ではマトリクス樹脂との密着が悪
くなり、強度が低下するとともに成形性が著しく悪くな
る為に実際的ではない。

この発明で用いる炭素繊維強化芳香族ポリエーテルケト
ン系樹脂組成物は、通常取り扱いやすいペレット状の成
形材料として射出成形工程に供されるが、これらは公知
の一軸、または二輪の押出し機を用いて芳香族ポリエー
テルケトン系樹脂と炭素繊維とを配合し、シリンダー温
度３５０℃〜４１０°Ｃ１好ましくは３７０°Ｃ〜３９
０°Ｃで押出し機ノスクリューでの圧縮比を２〜３にし
て押出し賦形することにより得られる。

射出成形は、通常の多段制御射出成形機を用い、シリン
ダ温度３８０°Ｃ〜４３０°Ｃ１好ましくは３９０℃〜
４１０’Ｃテ、金型温度は１６０°ｃ〜２３０′ｃ、好
ましくは１９０　”Ｃ〜２１０℃で、金型内への材料充
填速度を制御しながら行なうことができ、複雑な形状の
炭素繊維強化樹脂製遠心圧縮機のインペラや、動力伝達
用歯車等を容易に得ることが出来る。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の一実施例の遠心圧縮機インペラを
示す図である。

まず構成を説明すると、図示するように遠心圧縮機のイ
ンペラ１は複雑な形状をしており、しかも精密な寸法精
度を必要とする。このインペラ１は、第２図に示すよう
にカラー２とスリーブ３とナツト４とでシャフト部５に
固定されている。また締結部付近の繊維配向分布につい
ても図中に示しである。

この発明のインペラは前記樹脂組成物を用い、押出し成
形や、射出成形等の良く知られている方法で製造するこ
とが出来る。例えば、第３図に示す金型を用いてインペ
ラを成形することができる。

即ち、インペラ形状を彫り込んだ組み立て代金型６と組
み合わせた下金型１０にビン７を取り付け、しかる後、
上金型８を密着固定し、Ａ方向からゲート９を通して成
形材料を射出、あるいは押し出しインペラ形状部（キャ
ビティ部）１１に充填し成形する。

（実施例） 次に、この発明を実施例および比較例により説明する。

１隻貫上 電解酸化により表面処理を施したポリアクリロニトリル
系炭素繊維（東邦レーヨン■製、ＨＴＡタイプ）を用い
、末端基に水酸基を有する低分子量のポリエーテルスル
ホン樹脂（三井東圧化学■製５００３Ｐ　）と、溶削と
してのＮ−メチルピロリドンとの混合比率を１０〜３０
重量％に調合し、さらに、キシレンを希釈剤として用い
た、ポリエーテルスルホン系収束剤で表面を被覆した後
、５ｍ長さに切断してチョツプド炭素繊維とし、空気雰
囲気の熱処理炉中で３７０℃で１０時間熱処理を行なっ
た。

次に、マトリクス樹脂としてのポリエーテルケトン樹脂
（三井東圧化学■製ＰＥＫ）と、上記で処理した炭素繊
維とを、炭素繊維の含有率を３０重量％になる様に配合
した。このものをＬ／Ｄ＝２３、圧縮比３の直径６５ｍ
−軸ベント式押出し機を用Ｉ／為、シリンダ温度３９０
　’Ｃ、スクリュー回転数４５ｒｐａ＋で押し出し、ス
トランドを切断しペレット状の成形材料を得た。このペ
レットを１８０°Ｃで５時間熱風乾燥した後、日清樹脂
工業■製８０ＴＯＮ　（型締圧）多段制御・射出成形機
を用い、シリンダ温度３９０°Ｃ１金型温度２１０”Ｃ
１射出圧力２１００ｋｇ／ｃｍ”の成形条件で射出速度
を遅くし、保圧切替タイミング並びに保圧を多段制御し
て第３図に示す様な構造の金型に射出し、インペラ形状
物を得た。得られた形状物を、２３０℃で５時間の加熱
処理の後、パリ取り、シャフト孔加工、バランスチエツ
クなどの機械加工を行なった。しかる後、室温下で、第
２図に示す欅な構造でシャフトに固定が可能な締結クリ
ープ試験治具に、締結トルク１ｋｇｍで取り付け、槽内
温度が１２０℃の熱風循環式乾燥機に静置し、経過時間
と締結トルクの低下度合いとの相関を求めた。その結果
を第４図並びに第１表に示す。また、上述の様にして得
たインペラ形状物を、バランス修正などの機械加工を施
し、ロータ一部と組み合わせて、ターボチャージャとし
て組み立てた。このターボチャージャを空気加熱装置付
きターボチャージャ連続耐久試験装置に設置し、ロータ
ー側に９００″Ｃの加熱空気を吹き付けてローター、イ
ンペラの回転を１３万ｒｐｍとし、インペラで圧縮され
て出てくる空気の温度を１５０°Ｃになるように入口空
気温度を制御しながら連続耐久試験を行なった。得られ
た結果を表１に示す。連続耐久２００時間に耐え、締結
トルクの低下が無く、締結部の変形が無いものを合格と
判定した。

北較■上 電解酸化により表面処理を施したポリアクリロニトリル
系炭素繊維（東邦レーヨン■製、ＨＴＡタイプ）を芳香
族ポリエーテルスルホン樹脂で表面を被覆した後、６１
１ＩＩ＋長さに切断してチョツプド炭素繊維とし、空気
雰囲気の熱処理炉中で３７０°Ｃで１０時間熱処理を行
なった。次に、マトリクス樹脂としてポリエーテルエー
テルケトン樹脂（三井東圧化学■製ＰＥＥＫ　”）を用
い、上記で処理した炭素繊維と混練し、炭素繊維の含有
率を３０重量％になる様に配合調整した。

このものを実施例１に記載したと同様にしてべレット化
し、日清樹脂工業■製８０ＴＯＮ　（型締圧）多段制御
・射出成形機を用い、シリンダ温度３９０°Ｃ１金型温
度２００℃、射出圧力２１００　）ｃｇ　／ａｓ　”の
成形条件で第３図に示す様な構造の金型に射出し、イン
ペラ形状物を得た。加熱処理、パリ取りなど後加工のの
ち、実施例１に記載したのと全く同じ条件で、締結クリ
ープ試験並びに、連続耐久試験を行なった。締結クリー
プ試験結果を第４図並びに第１表に示し、また連続耐久
試験結果を第１表に示した。連続耐久試験で翼の先端が
変形しているが、これはポリエーテルエーテルケトン樹
脂のガラス転移温度（Ｔｇ　＝　１４５°Ｃ）以上での
耐久によるものであり、出口空気温度が１４０°Ｃ以下
での耐久では変形が生じない。

１隻１ マトリクス樹脂としてポリエーテルケトン樹脂（三井東
圧化学■製ＰＥＫ）とポリエーテルイミド樹脂（ＧＥ社
製ＰＨＩ）の配合比率を８０／２０とした芳香族ポリエ
ーテルケトン系のポリマーアロイ樹脂を用い、実施例１
と同様な表面処理を行なったチョツプド炭素繊維と混練
し、炭素繊維含有率が３０重量％になる様に配合してペ
レット状の樹脂組成物を調整した。この樹脂組成物を用
い、実施例１に記載したと全く同様にして射出成形、後
加工をし、締結クリープ試験、並びに連続耐久実験を行
なった。その結果を第４図と第１表に示す。

北較尉ｌ マトリクス樹脂として、ポリアミドイミド樹脂（Ａ■ｏ
ｃｏ社製トーロン）と、実施例１と同様な表面処理を行
なったチョツプド炭素繊維とを混練し、炭素繊維含有率
が３０重量％になるように配合して、ペレット状の樹脂
組成物を調整した。この樹脂組成物を、１２０°Ｃで１
０時間熱風乾燥した後、ＡＲＢＵＲＧ社製５０ＴＯＮ　
（型締圧）射出成形機を用い、シリンダ温度３５０°Ｃ
１金型温度２１０°Ｃ１射出圧力２０００ｋｇ／　ａｍ
　”の成形条件で第３図に示す様な構造の金型に射出し
、インペラ形状物を得た。このインペラ形状物を、精密
温度制御が可能な熱風循環式オーブンの中に静置し、次
の様な（１４９°ＣＸ２４Ｈｒ）　＋（２１６℃Ｘ　２
４Ｈｒ）　＋（２４３°ＣＸ　２４Ｈｒ）　＋　（２６
０°ＣＸ１６８Ｈｒ　）という様な連続温度制御のパタ
ーンでアフター・キュアを行なった。得られた形状物の
パリ取り、シャフト孔加工、バランスチエツクなどの機
械加工を行ない、締結クリープ試験、並びに連続耐久試
験を行なった。その結果を第４図と第１表に示す。

ル較■主 比較例２で用いた樹脂組成物を用い、成形条件も全く同
様にして、表面にローレフト加工を施したアルミニウム
製金属ボスを、インサート一体成形してインペラ形状物
を得た。このインペラ形状物を、比較例２に記載と全く
同様にしてアフターキュア、並びに後加工を行ない、締
結クリープ試験、並びに連続耐久試験を行なった。その
結果を第４図と第１表に示す。

北較■土 マトリクス樹脂としてポリエーテルスルホン樹脂（三井
東圧化学■製４１００Ｇ）と、実施例１と同様な表面処
理を行なったチョツプド炭素繊維とを混練し、炭素繊維
の含有率が３０重量％となるように配合して、ペレット
状の樹脂組成物を調整した。

この樹脂組成物を１８０°Ｃで５時間熱風乾燥した後、
日本製鋼断裂７５ＴＯＮ　（型締圧）の射出成形機を用
い、シリンダ温度３８０°Ｃ１金型温度２００°Ｃ１射
出圧力１６００ｋｇ／Ｃｍ２の成形条件で第３図に示す
様な構造の金型に射出し、インペラ形状物を得た。得ら
れた形状物を２１０°Ｃで５時間のアフター・キュアを
行ない、ハリ取り、シャフト孔加工、バランスチエツク
などの機械加工を行なった後、実施例１に記載したと全
く同様にして締結クリープ試験、並びに連続耐久試験を
行なった。その結果を第４図と第１表に示す。

北較土ｉ 比較例４で用いた樹脂組成物を用い、成形条件も全く同
様にして、表面にローレット加工を施したアルミニウム
金属製ボスをインサート一体成形してインペラ形状物を
得た。得られたインペラ形状物を、比較例４と同様にし
てアフター・キュア、パリ取り、シャフト孔加工、バラ
ンスチエツクなどの機械加工を行ない、実施例１に記載
したと同様な締結クリープ試験、並びに連続耐久試験を
行なった。その結果を第４図と第１表に示す。

第１表 （＄１）初期締結斗ルクを１．０ｋｇ−ｍで一定とし；
ｌ’、：、　雰功チ鴫Ｉ寛１２ｏ°Ｃのオーブン中に入
れて耐久し、トルク測定は、オーブンから取り出し、治
具とインペラの温度が室温まで下がってから実施した。

（本２）インペラの出口空気温度を１５０　”Ｃになる
様に制御し、回転数を１３×１０４ｒｐｒ定で、ＷＯＯ
時間耐久を実施した。

○：　合格　　　破損なし Δ：　半合格　　破損なし、しかし、翼端部に変形あり
×：　不合格　　破損 第１表の結果より、実施例において成形したインペラは
、比較例のものに比べて耐熱強度並びに締結クリープ特
性に優れていることがわかる。

（発明の効果） 以上説明してきた様に、この発明によれば、その構成を
繊維強化樹脂からなる一体型遠心圧縮機のインペラや動
力伝達用歯車等の内燃機関部品において、マトリクス樹
脂として芳香族ポリエーテルケトン系樹脂を用い、この
マトリクス樹脂を、芳香族ポリエーテルスルホン樹脂で
表面を被覆した後、３００°Ｃ〜４００°Ｃで加熱され
た炭素繊維で補強した樹脂組成物を用いるとしたため、
炭素繊維とマトリクス樹脂との濡れ性が向上し強度の向
上がはかられ、さらに、部品の締結ボス部の繊維配向分
布を、ボス部両端２ケ所の締結部を結ぶ直線に対し、平
行な配向分布が多くなる様に配向させる事により、締結
応力に対するクリープ強度の向上がはかられ、締結トル
クが低下せず、ナツトの緩みが生ぜず、ナツトの緩みか
ら（る回転バランスの狂いの発生、振動・異音の発生を
防止でき、さらに高速連続耐久で破損しないという効果
が得られる。

また、各実施例はそれぞれ上記共通の効果に加えて、更
に以下の様な効果が有る。インペラの軽量化により、エ
ンジン負荷変動に対する追従性が改善される。また、さ
らに、製品表面の精度がアルミニウム合金のものに比べ
て極めて向上するため、高速回転時の吸入空気の翼表面
からの剥離現象を低減することができ、吸入圧縮効率が
向上するという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一例インベラの斜視図、第２図はシ
ャフト部へ取り付けたインペラの断面図、 第３図はインペラ成形用金型の断面図、第４図は炭素繊
維含有率を３０重量％とした各種樹脂組成物で製作した
インペラの１２０°Ｃ雰囲気中における締結トルクの経
時変化を示す曲線図である。 １・・・インペラ　　　　　　２・・・カラー３・・・
スリーブ ５・・・シャフト ７・・・ビン ９・・・ゲート １１・・・インペラ形状部 ４・・・ナツト ６・・・組立て代金型 ８・・・上金型 １０・・・下金型 （キャビティ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、繊維強化樹脂からなる内燃機関部品において、マト
   リクス樹脂として芳香族ポリエーテルケトン系樹脂を用
   い、このマトリクス樹脂を、芳香族ポリエーテルスルホ
   ン樹脂で表面を被覆した後、３００〜４００℃で加熱さ
   れた炭素繊維で補強した樹脂組成物を用い、該部品の締
   結ボス部の繊維配向分布を、ボス部両端２ヶ所の締結部
   を結ぶ直線に対し平行に並ぶ分布が多くなる様に配向さ
   せたことを特徴とする繊維強化樹脂製内燃機関部品。 ２、前記内燃機関部品が、該部品の内部に金属材よりな
   るボスを必要としない一体型遠心圧縮機のインペラであ
   る請求項２記載の内燃機関部品。